大家都知道光子代表著光，無論是肉眼可見的光還是不可見的電磁波，光子就是電磁波的量子描述。物質時刻都在運動之中，所有物體通過其原子振動和電子運動對外釋放能量，它們以電磁波的形式表現出來，於是我們周圍的空間到處都充滿了看不見的電磁波和看得見的光，這些能量的每一份就是一個光子。

那麼什麼是聲子？聲子與聲音有什麼關係？聲子可以像光子那樣在空氣中或太空中傳播嗎？是不是寂靜無聲就代表著沒有聲子的運動？今天我們就談談這些問題。

什麼是聲子？

聲子是基本振動運動在量子力學上的描述。它指的是在固體或某些液體中原子或分子的晶格集體激發，並以單一頻率均勻振動。

但是如果你將聲子理解為一個上下振動的小乒乓球，就犯了錯，因為其實並不存在聲子這個東西，它是準粒子。意思是說，聲子是物理學家們為了研究和計算的方便而設計出來的“粒子”，聲子是晶格振動運動的量子態，它不是真正的粒子。

對於經典物理學來說，聲子指的是一種振動正常模式，任何晶格振動都可以被認為是這些基本振動正常模式的疊加。振動是波，聲子又被定義為粒子，於是聲子便與光子一樣具有了波粒二象性。

我們來做一個小結：聲子是一種基本振動運動模式，它是一種準粒子，它具有波粒二象性。但單一的粒子振動不能產生聲子，聲子是一群聯結在一起的原子或分子（晶格）集體激發，以單一頻率的均勻振動

。

聲子振動的模型

光作為一種電磁波，它擁有波長與頻率，頻率越低的電磁波波長越長。聲子也一樣，理論上聲子的振動波長可以達到宇宙的寬度，在一定的波長下，聲子的振動可以產生聲音，聲子以晶格振動傳遞其能量，但聲子沒有物理動量，它被賦予準動量。

我們能聽到聲子發出的聲音嗎？不能，因為聲子的振動只存在於微觀的晶格之中，空氣分子相距遙遠，它們之間沒有彈性聯繫，所以不能形成集體激發，也就不能傳遞聲子振動。而在太空中只有極少的粒子，更不可能有聲子的傳播。

在許多固體和一部分液體中，原子和分子之間因為化學鍵形成緊密的晶格結構，當一個原子發生振動，由於它跟相鄰原子間存在範德瓦爾斯力、共價鍵、靜電吸引力等電磁力，也會連帶著附近原子發生相應振動，這種振動被稱為集體激發。

集體激發理論上可以是一維的線、二維平面，更多的是三維的晶格。為了簡化三維原子晶格所需的分析，可以方便地對一維晶格或線性鏈進行建模。這個模型顯示了聲子的顯著特徵：

上面這個動畫顯示了一維晶格線性粒子鏈的前6個正常模式：位於頂部的波長最短，越往下波長越來越長，在最下面的線條中，我們可以看到波在向右運動。

在二維晶格中，由於原子之間的彈性連接，一個或多個原子從其平衡位置的位移產生了一組通過晶格傳播的振動波，在下圖中，我們以λ來標記平面振動波的波長：

聲子振動的最小波長是多少？這個波長與原子間的距離有關，它大約是原子之間的平衡間隔的兩倍。請注意，我們提到了平衡間隔，因為原子之間存在距離，這與原子本身的半徑以及原子間相互作用的力有關，平衡間隔指的是當原子處於未激發狀態（基態）時的相互間隔。由於受到相互作用力的牽制，原子受激發後的位移幅度也將受到限制。

為了更好地研究聲子振動，物理學家們創造了一維與二維模型，實際上物體都是三維的，聲子的振動也是在三維空間晶格中傳遞。

上圖是典型的銅金屬的面心立方晶體，事實上幾乎所有的金屬都是與之類似的晶體結構。當一個自由電子從晶格間的空隙穿過，由於電子攜帶的負電荷與金屬原子周圍電子相互排斥、或者被那些已經失去最外層電子原子的空穴吸引，由此產生的力會引起周圍空間發生彈性變形，當溫度足夠低時，變形會引發晶格的規律振動，振動產生的聲子會推動電子前進。

聲子傳遞的是什麼？

聲子傳遞的是能量。

固體的熱力學性質與其聲子結構直接相關，這就是為什麼通常晶體的熱傳導效率比非晶體高的原因。

在絕對零溫度下，晶格處於其基態，並且不包含聲子。非零溫度下的晶格具有不恆定的能量，它在某個平均值附近隨機波動。這些能量波動是由隨機晶格振動引起並由晶格的溫度產生，所以它們有時被稱為

熱聲子或聲子氣體。

如果我們對晶體的某一部分加熱，這部分的原子因為獲得能量而加劇振動，表現為集體激發，熱聲子會迅速向周圍傳遞以平衡其能量，最終達到晶體所有的晶胞能量均衡的狀態。這與加熱水不同，熱水是通過對流傳遞能量，晶體通過聲子的振動傳遞能量。

如果晶體內聲子的波長足夠長，它會導致更多的晶胞跟隨一起振動，由此對外表現為晶體的整體振動，我們稱之為聲學聲子。聲學聲子的振動會產生聲音。

光學聲子是晶格中原子的異相運動，一個原子向左移動，另一個原子向右移動。當像氯化鈉這樣離子晶體紅外輻射激發時，光的電場將使每個正的鈉離子向一個方向移動，而每個負的氯離子移動向另一個方向移動，從而使晶體振動。晶體的光學聲子振動使光可以在晶體中傳遞。

總結：

科學家認為聲子是一種玻色子，實際上它是晶體結構中傳遞振動的準粒子，聲子與光子一樣具有波粒二象性。

空氣中的分子與周圍其它分子沒有緊密關聯，當一個分子發生振動時不能帶動周圍的粒子一起同步振動，因此空氣中不存在聲子。同樣地，聲子也不能在太空中傳遞，它只存在於凝聚態物質的晶格之中。

聲子本身沒有物理動量，它只有準動量，但聲子通過振動傳遞能量。

絕對零度的物體（事實上並不存在這樣的物體）中沒有聲子，當物體有溫度，它內部的原子振動就會使其充滿聲子氣體。而當我們加熱晶體時，聲子會通過振動向能量向周圍傳遞。同樣地，當電子和光子通過晶體運動時，它們的場也會扭曲周圍的晶格，從而產生聲子。從這個角度看，無論我們是否聽到聲音，只要溫度和場存在，晶體中的聲子就存在。